مدلسازي و حل تقريبي جداسازي نيتروژن و متان در يک مدول غشايي پيچشي

محمد ابراهيم غلامزاده
ماهشهر، دانشگاه صنعتی اميرکبير ،واحد دانشگاهی ماهشهر ،دانشکده مهندسی پتروشيمی

علی کارگری*+، فرزين ذکايی آشتيانی
تهران، دانشگاه صنعتی اميرکبير، دانشکده مهندسی شيمی

چكيده: در اين مطالعه، مدلسازی جداسازی نيتروژن و متان در يک مدول غشايی پيچشی انجام شده است. برای اين کار، سادهسازیهايی صورت گرفته است که همراه با حذف پيچيدگیهای غيرضروری و ساده سازی مدل، از دقت آن نکاسته و باعث شده است که اين مدل به عنوان يک مدل کاربردی بسيار مفيد باشد. برای اين منظور از يک روش مدلسازی تقريبی ارايه شده برای غشاهای پيچشی، به منظور بررسی اثرهای افزايش سطح غشا و پارامترهای گاز خوراک )مانند شدت جريان، غلظت و فشار( بر جداسازی 4N2 /CH استفاده شده است .نتيجهها نشان داد تغيير مقدار جريان، غلظت و فشار خوراک و سطح غشا، بسته به نوع گزينشگری غشا میتواند باعث بهبود و يا افت ميزان بازيافت و غلظت متان در جريان فرآورده شود. از سوی ديگر مشخص شد که افزايش سطح غشا باعث افزايش ميزان بازيافت متان در غشاهای گزينشگر متان شده و در غشاهای گزينشگر نيتروژن آن را کاهش میدهد .افزون بر اين ،با افزايش سطح غشا، غلظت متان در جريان فرآورده در غشاهای گزينشگر متان کاهش يافته درحالی که اين مقدار در غشاهای گزينشگر نيتروژن افزايش میيابد. بنابراين نياز است که بين ميزان بازيافت متان و غلظت آن در جريان فرآورده تعادل برقرار شود.

واژههاي كليدي: حذف نيتروژن؛ جداسازی نيتروژن و متان؛ مدلسازی غشايی؛ غشای پيچشی؛ تراوه.
KEYWORDS: Nitrogen removal; N2/CH4 separation; Membrane modeling; Spiral-wound membrane ;
Permeate.
مقدمه
روند افزايش درخواست جهاني براي انرژي، رشد سالانة 7/1% را مصرف سالانهي گاز طبيعي در امريکا حدود 55 تريليون فوت مکعب از سال 5002 تا سال 5050 ميلادي نشان ميدهد. اين رشد و کل مصرف جهاني حدود 52 تريليون فوت مکعب در سال مربوط به تمام منابع انرژي ميباشد و در اين ميان تقاضا براي گاز گزارش شده است [5].
طبيعي در سالهاي اخير بيشترين ميزان رشد را داشته است [1]. اين در حالي است که به گزارش موسسة پژوهش گاز)1(،

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
)1( Gas Research Institute
35
حدود 11% از ذخيره گاز امريکا داراي کيفيت لازم نبوده و مقدار زيادي نيتروژن دارد [3]. از آنجا که گاز طبيعي در اين کشور در زمره پنج انرژي اصلي بوده و نزديک به نيمي از انرژي مصرفي در خانههاي امريکا را فراهم ميکند، اين مسئله باعث شده تا براي توليد گاز با کيفيت قابل ارسال با خط لوله )ارزش گرمايي 3Btu/ft520 و غلطت کمتر از 1% براي مواد خنثي [3]( تلاشهاي زيادي صورت گيرد.
وجود نيتروژن در گاز طبيعي، اگرچه آثار مخرب خوردگي بر تأسيسات انتقال و فرآورش گاز به همراه ندارد اما در غلظتهاي بالا به دليل افزايش هزينههاي حمل و نقل و نگهداري، کاهش ارزش گرمايي و مسائل زيست محيطي لازم است در محل توليد جداسازي شود. به علت مقدار به نسبت زياد نيتروژن در بيشتر مخازن گاز طبيعي کشورهاي اروپايي و آمريکا، سالهاست که بسياري از اين کشورها براي جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي اقدام کردهاند اما با توجه به بالا بودن هزينههاي جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي در روشهاي متداول، اينگونه جداسازيها بيشتر به شدت جريانها و غلظتهاي به نسبت زياد محدود شده است بنابراين جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي براي غلظتهاي بالاتر از 1% انجام ميگيرد.
در کشور ما از گاز طبيعي هم به عنوان سوخت و هم به عنوان خوراک واحدهاي پتروشيمي استفاده ميشود. ميزان نيتروژن موجود در گاز طبيعي خروجي از پالايشگاههاي گاز ايران بين 2/0تا 11 درصد متغير است [1].
در صورتي که گازي داراي کمتر از 10% نيتروژن باشد، بهطور عموم ميتوان با اختلاط آن با مقدار کافي از يک گاز با غلظت کم نيتروژن، به فرآوردهاي با استاندارد لازم رسيد، اما براي جريانهاي داراي مقدارهاي بالاتر از 10% نيتروژن، فرايند آميختن آن با گازهاي کم نيتروژن امکانپذير و عملي نيست؛ بهويژه وقتي مقدار هيدروژن سولفيد و يا کربن دياکسيد آن نيز بالا باشد [2].
يکي از زمينههاي کاربردي براي چنين پژوهشهايي در کشور، در رابطه با بازيافت گازهاي دورريز برخي پروژههاي گازي مانند پروژههاي مايعسازي گاز طبيعي است. از مناسبترين راههاي صادرات گاز طبيعي براي کشور، اجراي پروژههاي مربوط به توليد گاز طبيعي مايع شده)1( ميباشد. مشکلي که بهطور عموم
)4( Spiral-wound
)5( Hollow-fiber

در اين پروژهها وجود دارد اين است که گاز دورريز آنها به طور معمول داراي مقدار بالايي از متان و نيتروژن است، که با کاهش مقدار نيتروژن آن به سطح قابل پذيرش، ميتوان به جاي سوزاندن در مشعل، از آن براي توليد توان مورد نياز دستگاههاي بخش LNG مانند کمپرسورهاي متراکمسازي گاز استفاده کرد .
از ديگر زمينهها، ميتوان به فرايندهاي پتروشيميايي اشاره کرد که حتي مقدارهاي کم نيتروژن در متان نيز در آنها ايجاد مزاحمت ميکند مانند فرايند توليد متانول. پس نياز است که براي جلوگيري از هدر رفت گاز طبيعي و استفاده از منابع کم عيارتر، راهکارهاي کاربردي براي جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي ارايه شود.
براي جداسازي نيتروژن از گاز طبيعي درحال حاضر از سامانههاي تقطير سرمايشي)5(، جذب سطحي و غشايي استفاده ميشود .
فرايندي که براي حذف نيتروژن از گاز طبيعي در سطح گستردهاي به کار ميرود جداسازي نيتروژن با تقطير سرمايشي ميباشد )دماي جوش متان ˚C165- و دماي جوش نيتروژن ˚C156- است.( واحدهاي صنعتي جداسازي سرمايشي براي ميدانهاي بزرگ گازي که بتوانند )3(Mcsfd 200-20 را براي مدت 10 سال فراهم کنند مناسب هستند. زيرا هزينه و سرمايهگذاري بالاي اين واحدها در اين شدت جريانهاي بالا ،پس از چند سال مستهلک ميشود [6].
براي جداسازي گازها به روش غشايي در مقياس صنعتي، به دليل نياز به سطح زياد غشا ،بهطور عمده از مدولهاي پيچشي)1( و الياف توخالي)2( استفاده ميشود. اين مدولها نسبت سطح به حجم زيادي داشته و قيمت به نسبت پاييني نسبت به مدولهاي لولهاي يا قاب و صفحهاي دارند. از مدول پيچشي بيشتر در موردهايي استفاده ميشود که ميزان جداسازي بالايي نياز است و فشار عملياتي نيز زياد است، بهويژه براي فرايندهاي مربوط به گاز طبيعي که بهطور معمول گاز خوراک در فشار به نسبت بالايي )bar 60-50) در دسترس است اين مدولها بسيار مناسب ميباشند
-405121373287

[6 ، 5]. هر چند که غشاهاي الياف توخالي از نظر اقتصادي مقرون به صرفهتر هستند اما چنانچه ميزان تراوايي در غشاهاي صفحهاي تخت که به صورت مدولهاي پيچشي درآمدهاند زياد باشد، ميتواند هزينة زياد اين غشاها )که بهطور معمول به صورت دلار بر مترمربع سطح غشا بيان ميشود( را جبران کند [5 ـ 7، 5]. امروزه از اين نوع مدولها در فرايند شيرين سازي گاز طبيعي در سطح گستردهاي
)1( LNG
)2( Cryogenic
)3( Million cubic standard feet per day (Mcsfd)
35
1752645696

خوراک
سمت

اندازه

فاصله

جريان

خوراک

غشا

جريان

تراوه

غشا

پاکت

تراوه
فاصله

سمت

اندازه

لوله

جمع
آوري
تراوه

پسمان

جريان

غشا

خوراک

سمت

اندازه

فاصله

جريان

خوراک

غشا



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید